CN103049607A - 一种龙门式支架连接方式的改进方法及龙门式支架 - Google Patents

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王志刚
黎勇军
王星
朱加坤
高云峰
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Abstract

本发明提供了龙门式支架连接方式的改进方法，包括以下步骤：建模；测试；测试与仿真结合，优化设计；优化改进。一种龙门式支架，其包括横梁、横梁底座、床身，横梁与横梁底座通过五个标准螺钉连接，横梁底座与床身用四个标准螺钉连接，在标准螺钉与横梁之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片，在标准螺钉与横梁底座之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片。本发明从螺栓的数量和排列方面，在不减小连接螺栓直径的情况下，增多螺栓的数量，提高连接刚度，采用标准件连接，降低成本，同时配合有限元计算分析和振动测试仪实际测试验证，能够提高支架的连接刚度和自身强度，提升机床动态工作稳定性。

Description

一种龙门式支架连接方式的改进方法及龙门式支架
技术领域
本发明涉及龙门式支架，尤其涉及龙门式支架结构的部件之间连接关系的改进。
背景技术
鉴于龙门式支架的优点，业界普遍采用龙门式支架作为PCB钻孔机的支架，为了整机结构简单可靠，一般多轴PCB钻孔机基础件均采用龙门定梁式结构，龙门式支架主要由横梁1、横梁底座3、床身4组成（图1）。目前比较流行的连接方式，是采用五根长特制螺栓2，从横梁孔内穿过横梁底座，锁紧在床身上（图2）。
为了结构精度稳定，该龙门结构均采用天然花岗岩材料制作，在床身上安装横梁底座部位埋植五个长螺母并用5个长螺栓从横梁上方向下锁紧横梁、横梁底座及床身，但由于花岗岩表面光滑，摩擦力比较小，而横梁底座相当于由横梁和床身二者夹紧的状态，由于机器长期运行的振动，容易使横梁产生滑移影响机器稳定。
如图1所示，横梁底座前后两侧各有一个销钉孔5，下方床身对应的位置也有两个盲孔，先分别在床身这两个盲孔中用强力胶埋植两个金属件，同时在横梁底座的通孔中用强力胶埋植两金属套，当装配中横梁底座位置排定后，用普通钻头和铰刀在这两对金属柱和金属套上配铰成对定位销孔，然后打入定位销钉。
同时采用振动测试系统的锤击模块和模态分析模块进行数据的采集与后处理分析，实际测试连接后的支架前3阶模态如表2所示：
原方案横梁1通过五根长螺栓2穿过横梁底座3与床身4连接，每个横梁底座右侧有两个销钉5与床身4连接，通过有限元仿真和实际模态测试，长度显著的螺栓的工作中模态比较低，导致结合面的接触刚度比较低。同时由于特别订制长螺钉，导致成本比较高。
发明内容
本发明提供了龙门式支架连接方式的改进方法，包括以下步骤：
建模：建立龙门式支架结构部件之间连接的模型；
测试：测试连接后的支架前3阶模态；
测试与仿真结合，优化设计:通过横梁自由模态仿真，再采用接触算法并添加简化的螺栓连接进行机架整体的静力学和模态仿真；
优化改进：横梁与横梁底座通过标准螺钉连接，横梁底座与床身用标准
螺钉连接。
作为本发明的进一步改进，横梁与横梁底座通过五个标准螺钉连接，横梁底座与床身用四个标准螺钉连接，在标准螺钉与横梁之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片，在标准螺钉与横梁底座之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片，横梁的厚度为315mm至325mm。
作为本发明的进一步改进，测试连接后的支架前3阶模态：采用振动测试系统的锤击模块和模态分析模块进行数据的采集与后处理分析。
作为本发明的进一步改进，以横梁自由模态测试数据为依据，改变材料参数，仿真优化，使横梁自由模态与测试相符，误差在5%左右，得出横梁真实的材料参数，新机架的仿真均采用横梁真实的材料参数的仿真参数，同样采用接触算法并添加简化的螺栓连接进行机架整体的静力学和模态仿真。
作为本发明的进一步改进，所述横梁底座设有台阶孔，带有螺纹的金属柱由强力胶埋植在横梁底座中，所述床身设置通孔，带有螺纹的金属柱由强力胶埋植在床身中。
作为本发明的进一步改进，还包括：测试验证，改进前后两款不同横梁模态的测试，主轴前后左右偏摆的测试。
作为本发明的进一步改进，横梁与横梁底座通过五个标准螺钉连接，横梁底座与床身用四个标准螺钉连接。
作为本发明的进一步改进，在标准螺钉与横梁之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片，在标准螺钉与横梁底座之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片，横梁的厚度为315mm至325mm。
作为本发明的进一步改进，所述横梁底座设有台阶孔，带有螺纹的金属柱由强力胶埋植在横梁底座中，所述床身设置通孔，带有螺纹的金属柱由强力胶埋植在床身中。
本发明在连接螺栓的总面积不变时，螺栓的数量和大小对连接刚度的影响，直径较小而数量较多的螺栓连接，比直径较大而数量较少的螺栓连接法向变形小。
为提高支架连接刚度，本发明从螺栓的数量和排列方面，在不减小连接螺栓直径的情况下，增多螺栓的数量，提高连接刚度，采用标准件连接，降低成本，同时配合有限元计算分析和振动测试仪实际测试验证，能够提高支架的连接刚度和自身强度，提升机床动态工作稳定性。
附图说明
图1是现有技术龙门式支架结构示意图；
图2是现有技术龙门式支架俯视图；
图3是本发明龙门式支架结构示意图；
图4是本发明龙门式支架俯视图；
图5是旧横梁自由模态测试与旧横梁及其底座两种情况模态测试结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
龙门式支架连接方式的改进方法：
步骤1：测试：
1）测量Z轴方向上，横梁主轴前后、左右的偏摆量：
通过XL-80的激光干涉仪测量Z轴方向上，横梁主轴前后、左右的偏摆量，发现目前的前后摆动有±25um，左右有±15um。
测试过程如下,测试主轴偏摆使用的镜组为直线度镜组，首先将90度固定转向镜和准直辅助镜通过工装固定在花岗石基座上，以改变光路和把握光路；然后通过夹具替换电主轴，将干涉镜装在假轴下方；最后是通过磁力表座将反射镜固定安装在床身上的铁板上。激光头发出水平光束射到90度固定转向镜上，光线从水平方向转成垂直向下，到达准直辅助镜（把握透过光的光路路线），然后通过假轴中心，穿过干涉镜到达反射镜，最后再反射回去进入激光头。
2）测试连接后的支架前3阶模态：
采用振动测试系统的锤击模块和模态分析模块进行数据的采集与后处理分析。
步骤2：测试与仿真结合，优化设计:
通过横梁自由模态仿真，再采用接触算法并添加简化的螺栓连接进行机架整体的静力学和模态仿真。以横梁自由模态测试数据（见表2）为依据，改变材料参数，仿真优化，使横梁自由模态与测试基本相符，误差在5%左右，得出横梁真实的材料参数（见表3），新机架的仿真均采用表3的仿真参数，同样采用接触算法并添加简化的螺栓连接，螺栓与床身连接部分采用Tie连接进行机架整体的静力学和模态仿真。
表2 旧横梁自由模态测试与旧横梁及其底座两种情况模态测试结果
Figure BDA00002599203800041
步骤3：优化改进：
为提高支架连接刚度，本发明通过测试与仿真相结合的方法，运用螺栓的数量和排列方面，在不减小连接螺栓直径的情况下，增多螺栓的数量，提高连接刚度，采用标准件连接，降低成本，同时配合有限元计算分析和振动测试仪实际测试验证，确实能够提高支架的连接刚度和自身强度，提升机床动态工作稳定性。同时增厚横梁厚度，提高机架本身的刚度，提高机体的强度，减少Z轴主轴前后、左右的偏摆量，提高机床的加工精度。
步骤4：测试验证：1）加厚横梁和改善横梁底座连接方式
两款不同横梁厚度与连接方式的模态对比测试结果
  图示   改善前   改善后
  阶数   振动测试数据   振动测试数据
  1阶   101.56Hz   109.45Hz
  2阶   125.69Hz   130.18Hz
  3阶   176.74Hz   199.49Hz
两款不同横梁厚度与连接方式横梁、主轴前后左右偏摆对比测试结果
Figure BDA00002599203800051
一种龙门式支架：
通过增加4个标准螺钉6的方式，即横梁1与横梁底座3通过五个标准螺钉先连接，在横梁底座3设置台阶孔7，带有螺纹的金属柱8用强力胶埋植在横梁底座3中，在标准螺钉6与横梁1之间垫设较硬的金属垫片9和较软的金属垫片10，以增加标准螺钉6与横梁1之间的摩擦力，提高连接刚度。同时在床身4设置通孔11，带有螺纹的金属柱8用强力胶埋植在床身4中，在标准螺钉6与横梁底座3之间垫设较硬的金属垫片9和较软的金属垫片10，以增加标准螺钉6与底座3之间的摩擦力，提高连接刚度，增强支架强度，提升机床稳定性。
横梁与横梁底座用五个标准螺钉连接，横梁底座与床身用四个标准螺钉连接，从螺栓的数量和排列方面，在不减小连接螺栓直径的情况下，增多螺栓的数量，提高连接刚度。
原来横梁的厚度290mm，加厚到320mm，增加横梁的稳定性。本发明合理增厚横梁厚度，提高机体本身的强度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.龙门式支架连接方式的改进方法，其特征在于，包括以下步骤：
建模：建立龙门式支架结构部件之间连接的模型；
测试：测试连接后的支架前3阶模态；
测试与仿真结合，优化设计:通过横梁自由模态仿真，再采用接触算法并添加简化的螺栓连接进行机架整体的静力学和模态仿真；
优化改进：横梁与横梁底座通过标准螺钉连接，横梁底座与床身用标准螺钉连接。
2.根据权利要求1所述的龙门式支架连接方式的改进方法，其特征在于：横梁与横梁底座通过五个标准螺钉连接，横梁底座与床身用四个标准螺钉连接，在标准螺钉与横梁之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片，在标准螺钉与横梁底座之间垫设较硬的金属垫片和较软的金属垫片，横梁的厚度为315mm至325mm。
3.根据权利要求1所述的龙门式支架连接方式的改进方法，其特征在于：测试连接后的支架前3阶模态：采用振动测试系统的锤击模块和模态分析模块进行数据的采集与后处理分析。
4.根据权利要求1所述的龙门式支架连接方式的改进方法，其特征在于：以横梁自由模态测试数据为依据，改变材料参数，仿真优化，使横梁自由模态与测试相符，误差在5%左右，得出横梁真实的材料参数，新机架的仿真均采用横梁真实的材料参数的仿真参数，同样采用接触算法并添加简化的螺栓连接进行机架整体的静力学和模态仿真。
5.根据权利要求1所述的龙门式支架连接方式的改进方法，其特征在于： 所述横梁底座设有台阶孔，带有螺纹的金属柱由强力胶埋植在横梁底座中，所述床身设置通孔，带有螺纹的金属柱由强力胶埋植在床身中。
6.根据权利要求1所述的龙门式支架连接方式的改进方法，其特征在于：还包括以下步骤：测试验证，改进前后两款不同横梁模态的测试，主轴前后左右偏摆的测试。
7.一种龙门式支架，其包括横梁(1)、横梁底座(3)、床身(4)，其特征在于：横梁(1)与横梁底座(3)通过五个标准螺钉(6)连接，横梁底座(3)与床身(4)用四个标准螺钉(6)连接。
8.根据权利要求7所述的龙门式支架，其特征在于：在标准螺钉(6)与横梁(1)之间垫设较硬的金属垫片(9)和较软的金属垫片(10)，在标准螺钉(6)与横梁底座(3)之间垫设较硬的金属垫片(9)和较软的金属垫片(10)，横梁的厚度为315mm至325mm。
9.根据权利要求7所述的龙门式支架，其特征在于：所述横梁底座(3)设有台阶孔(7)，带有螺纹的金属柱(8)由强力胶埋植在横梁底座(3)中，所述床身(4)设置通孔(11)，带有螺纹的金属柱(8)由强力胶埋植在床身(4)中。
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